隔震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用

摘要：近年來地震頻發(fā)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高以及民眾抗震意識(shí)的增強(qiáng)，隔震建筑越來越被人們所認(rèn)同和親睞，在歷次國(guó)內(nèi)外地震中，隔震建筑都表現(xiàn)出了良好的抗震性能，向世人展示了柔性隔震結(jié)構(gòu)的巨大優(yōu)勢(shì)。本文就此為切入點(diǎn)，分析探討了隔震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，最后對(duì)其隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，以供參考。

關(guān)鍵詞：隔震;建筑結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);應(yīng)用

一、隔震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法分析

1、性能化設(shè)計(jì)

隔震設(shè)計(jì)從某種方面上講就是性能化設(shè)計(jì)思想的體現(xiàn)，而確定性能化設(shè)計(jì)的目的在于明確整體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)和各分部構(gòu)件的性能水準(zhǔn)，使抗震設(shè)防目標(biāo)更加細(xì)化并充分考慮結(jié)構(gòu)用途、業(yè)主和使用者的特定性要求，在設(shè)計(jì)時(shí)做到有的放矢，使隔震建筑能在完成預(yù)定功能過程中達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)整體性能目標(biāo)見表1。

表1""結(jié)構(gòu)整體性能目標(biāo)參考表

大震下應(yīng)控制位移角，其目的有以下三點(diǎn)，其一，使大震下有較高的抗震安全性建筑及重要和避險(xiǎn)等地震中不能中斷使用功能的建筑達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求;其二，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，如果大震下不控制合理的結(jié)構(gòu)變形，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞而需大修，則總體造價(jià)會(huì)增加，這與設(shè)置隔震層的初衷相背離;其三，上部結(jié)構(gòu)抗震措施降低使延性降低，可能導(dǎo)致大震下完成預(yù)定功能概率降低。

2、隔震層參數(shù)的設(shè)計(jì)

大震下隔震層的良好柔度和耗能能力阻隔了大部分地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，如果隔震層失效則整體結(jié)構(gòu)失去抵抗地震作用的屏障，本質(zhì)上是單一抗震防線結(jié)構(gòu)體系，因此隔震層的設(shè)計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，應(yīng)遵循“大震不壞”的設(shè)計(jì)原則。

隔震層包括隔震支座、阻尼裝置、抗風(fēng)裝置和限位裝置，阻尼裝置和抗風(fēng)裝置可與隔震支座合為一體也可單獨(dú)設(shè)置。

隔震層設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)滿足：豎向承載力、必要的水平剛度、設(shè)防烈度下的水平恢復(fù)力和阻尼以及罕遇地震下水平位移和穩(wěn)定性要求（保證在地震中保持穩(wěn)定，不宜出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形），應(yīng)控制橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于規(guī)范限值。隔震層應(yīng)滿足必要構(gòu)造措施。

3、下部結(jié)構(gòu)獨(dú)立柱設(shè)計(jì)方法

當(dāng)房屋采用層間隔震時(shí)（設(shè)置在地下室、一層柱頂或多塔樓的底盤上），應(yīng)重視下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于設(shè)置了隔震層使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)水平地震力傳遞機(jī)制發(fā)生改變而導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)直接承受很大的地震基底剪力和傾覆力矩。當(dāng)采用層間隔震時(shí)，隔震層下部結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足規(guī)范GB50011—2010第12.2.9條嵌固端剛度比和罕遇烈度下承載力驗(yàn)算和彈塑性變形驗(yàn)算的要求。

4、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范GB50011—2010第12.1.3條，隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類型。高寬比大于4的結(jié)構(gòu)小震下基礎(chǔ)不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力。

濕陷性場(chǎng)地建筑宜采用完全消除場(chǎng)地濕陷的地基處理方法，對(duì)于部分消除濕陷性的設(shè)計(jì)應(yīng)執(zhí)行GB50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范附錄G的規(guī)定要求。

對(duì)于軟弱場(chǎng)地基礎(chǔ)設(shè)計(jì)宜按變形設(shè)計(jì)，考慮調(diào)平設(shè)計(jì)方案，調(diào)節(jié)沉降差，優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和承載力驗(yàn)算。進(jìn)行基礎(chǔ)布置時(shí)，宜考慮豎向剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，使基底反力盡量趨于一致，避免較大的差異沉降。因隔震支座抗拉強(qiáng)度很小，故在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)不能考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)，設(shè)置變形縫兩側(cè)地基基礎(chǔ)宜加強(qiáng)。

二、隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1工程概況

某中學(xué)教學(xué)樓，四層，無地下室，屋面為坡屋頂，檐口高度為15.3m，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，Ⅱ類建筑場(chǎng)地，多遇地震時(shí)加速度峰值取為35cm/s2，設(shè)防時(shí)加速度峰值100cm/s2，罕遇地震時(shí)取為220cm/s2。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為II級(jí)，基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，基礎(chǔ)持力層為稍密卵石層，場(chǎng)地內(nèi)分部著細(xì)沙層為液化土，地基液化等級(jí)綜合判定為中等。

標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖1，由于平面的長(zhǎng)寬比較大，短方向剛度較弱，故在短向適當(dāng)布置少量剪力墻，上部結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

圖1標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

采用基礎(chǔ)隔震方案，即將隔震層設(shè)置在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間，為了方便安裝及維修隔震裝置，隔震層的高度為2.0m。

2、隔震目標(biāo)的確定

隔震設(shè)計(jì)首先應(yīng)明確隔震設(shè)計(jì)的目標(biāo)，上部結(jié)構(gòu)按降低后的水平地震作用進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。需要明確的是：場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度并沒有降低，僅僅是水平地震作用降低，豎向地震作用保持不變。該工程上部結(jié)構(gòu)水平地震作用按降低一度考慮。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的12.2.5公式得出：

水平向減震系數(shù)：

3、隔震支座布置

上部結(jié)構(gòu)按非隔震模型在預(yù)期設(shè)定的隔震目標(biāo)下（考慮水平減震系數(shù)）的多遇地震的彈性計(jì)算（反應(yīng)譜法），取恒+活基本組合的柱軸力設(shè)計(jì)值，確定隔震支座的直徑。乙類建筑的隔震支座的平均壓應(yīng)力不大于12.0MPa。共設(shè)置了27個(gè)橡膠隔震支座，其中普通疊層橡膠支座（LNR）18個(gè)，鉛芯疊層橡膠支座（LRB）9個(gè)。隔震支座的豎向承載力之和與柱底軸力設(shè)計(jì)值之和的比值>1.1。

隔震支座除滿足豎向承載力的要求外，隔震層還應(yīng)提供必要的側(cè)向剛度和阻尼，以抵抗正常使用階段的風(fēng)荷載及小震下產(chǎn)生的位移，使建筑保持穩(wěn)定不產(chǎn)生晃動(dòng)。隔震層的屈服力為F=98×9=882kN大于風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值FW=496.3kN。

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)形式。由于該工程所在的場(chǎng)地土為中等液化土層，故地基采用換填地基，將液化層挖除，用級(jí)配良好的砂卵石填筑，并分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.94。地基承載力特征值不小于250KPa，基礎(chǔ)采用整體性較好的柱下交叉梁基礎(chǔ)形式，按非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算基礎(chǔ)的內(nèi)力及配筋。

4.2隔震層的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隔震層的下部結(jié)構(gòu)指隔震層與基礎(chǔ)間的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式有：獨(dú)立柱、獨(dú)立柱加基礎(chǔ)梁、地下室。該工程采用獨(dú)立柱即懸臂柱，內(nèi)力采用罕遇地震作用下的隔震支座的豎向力、水平剪力。如圖2，柱頂彎矩：

P為在罕遇地震時(shí)設(shè)計(jì)組合工況下產(chǎn)生的軸向力;VX和Vy為罕遇地震時(shí)設(shè)計(jì)組合工況下產(chǎn)生的X和Y向水平剪力。UX、Uy為罕遇地震作用下隔震支座產(chǎn)生的水平位移;H為懸臂柱的高度。

懸臂柱在柱頂軸力及彎矩作用下，可以計(jì)算出柱的配筋。柱截面分別為900×900、1000×1000及1100×1100。

圖2獨(dú)立柱計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.3上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于隔震支座只傳遞上部結(jié)構(gòu)的軸力和水平剪力，不傳遞彎矩，故上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的柱下端采用鉸接。上部結(jié)構(gòu)按照傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，水平地震作用根據(jù)水平向減震系數(shù)進(jìn)行折減。由于該工程為重點(diǎn)設(shè)防類建筑，抗震構(gòu)造措施不降低，仍按當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度提高一度設(shè)防。

隔震層頂部設(shè)置現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，板厚不小于160mm，作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，樓板配筋采用雙層雙向，配筋率不小于0.25%。上部的剪力墻處設(shè)置轉(zhuǎn)換梁構(gòu)件，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為600×1200。

結(jié)束語

綜上所述，良好的隔震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅對(duì)于維護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于預(yù)防地震災(zāi)害等自然災(zāi)害維護(hù)社會(huì)的繁榮穩(wěn)定方面更具有深遠(yuǎn)的影響。但是為了使建筑隔震技術(shù)能夠更好的應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)上，還需要我們進(jìn)一步深入的研究。而且建筑隔震技術(shù)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，涉及到了行政、設(shè)計(jì)、施工等多個(gè)環(huán)節(jié)。所以，在今后的研究中一定要結(jié)合建筑物的特點(diǎn)，全面深入的研究隔震技術(shù)的應(yīng)用。

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